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天然气掺氢20年试验,全球3大权威报告给出了5点结论

2020-06-08 09:53
香橙会
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天然气掺氢相关应用技术在2000年之后开始被深入研究。其中有部分研究成果被公开。香橙会研究院选取全球有代表性的三份研究报告,帮助中国行业揭开天然气掺氢应用性质的面纱。

3份报告介绍报告一:2002-2006年的Naturalhy项目报告

Naturalhy是一个综合项目,该项目由欧盟委员会通过第六框架计划(2002-2006)共同资助。Naturalhy认为“将氢作为一种现实的能源选择迫在眉睫,必须在现有广泛的天然气系统范围内采取切实可行的策略。这是在未来30至50年内在欧洲大规模推广氢气的唯一现实解决方案。”本次项目的直接目的为:发现并解决将氢气逐步引入天然气网络的障碍。

细分目标可以归纳为以下四个方面:

1、经济方面,分析过渡性天然气/氢气系统的社会经济影响,并将其与当前的天然气及相关系统进行比较,特别是在创造就业机会、维护、资本投资和总经济成本方面。

2、技术方面,对使用氢技术过程中的安全性,耐用性和管道完整性的问题将进行调查并开发出新的设备。具体的聚焦点为爆炸、老化与修理。

3、法规方面,评估有关氢气/天然气混合物的标准和法规的现状,并确定必要的修改并启动所需的更改。

4、决策方面,开发决策支持工具,以评估现有天然气系统(传输,存储,分配,最终用户基础设施和最终用户设备)对氢气/天然气混合物的适用性,并开发模型以确定经济性。

项目团队由39个合作伙伴组成的国际财团,由NV Nederlandse Gasunie统筹协调。Gasunie成立于1963年,是荷兰的天然气基础设施和运输公司。
由于Naturalhy项目具体的试验场所,手段,具体试验参数披露较少,并且关于结论方面的信息披露的也较为零散和专业,在本文中先不对该项目具体的试验数据做深入讨论,只对部分主要结论做展示。关于经济性方面,Naturalhy评估了通过富氢天然气撬动氢能产业链的可行性。关于技术方面,Naturalhy主要披露了天然气管道的修理方法、爆炸情况。

报告二:2008-2011年Sustainable Ameland项目报告

该项目第一次长时间测试了天然气掺氢的家用性能。

该项目选择了风景秀丽的旅游小镇Ameland Nes,通过用同样材料建设通富氢天然气的管道和用来对比的通纯天然气的管道,以此来研究富氢天然气对管道的影响。项目第一年采用外运瓶装的氢气进行混合,此后三年的氢气来源为试验地附近的太阳能发电制氢。

报告三:2013年美国国家可再生能源实验室(NREL)发布的《天然气管道混入氢的关键技术报告》

该报告为综述性报告,总结了美国本土天然气掺氢研究成果,并且也结合了全球其它重要的研究成果。该报告由天然气技术研究院(GTI)完成,主要提供给NREL。项目也由“美国能源部的燃料电池技术项目”资助。该报告的完成得到了H2Pump LLC,NaturalHy项目,AP公司,Power & Energy Inc和CB&I Lummus Technology的支持。

本篇报告的数据主要来源于:NaturalHy报告,CTC(Concurrent Technologies Corp. PA, US)报告,IEA温室气体研究项目中的报告,以及美国机械工程师协会,美国天然气基金会,美国石油协会,Hydrogenics公司,通用汽车公司,Directed Technologies, Inc,Radian International LLC,美国环境保护局,美国能源信息管理局,日本能源经济研究所,欧洲工业气体协会,荷兰GASTEC科技公司,荷兰EET项目等研究成果。    香橙会研究院从上述三个报告中,提炼出凝练出经济社会意义、使用安全与管道耐久性以及终端家用情况三大方面结论分享给读者。

HCNG是打开氢能社会的一把金钥匙

由于可再生能源的波段性,区域局限性,其大规模使用不得不依赖高效并且灵活的能量存储载体。同样的能量,如果采用盐穴储氢,其成本比锂离子电池存储电能成本低100倍。而如果重新利用天然气管道运输氢,其能力为电网输送能力的效率高至少10倍(数据来源:欧洲2×40GW项目计划)。然而由于下游缺乏对氢气的应用场景,且应用端投资较大,上游便无法大规模生产氢气,而这又导致了氢气价格居高不下,下游的应用则更难推广。

天然气掺氢HCNG(hydrogen compressed natural gas)也被称为Hythan(hydrogen-methane-mixture)。由于其有潜力直接利用天然气管道,投资少,可以直接接触到广泛的消费者,产生经济效益迅速,并且可以允许一部分的氢含量波动(此特点与可再生能源制氢具有间歇性的特点契合),因此被认为是撬动氢能产业链,解决氢能全产业面临的“先有鸡还是现有蛋”问题的金钥匙。

氢气与天然气基本性质比较

首先,从氢和天然气的基本参数对比(表1)可以看出:1、燃烧能量方面:氢气密度较低,但单位质量的燃烧热远大于天然气(氢约144MJ/kg,天然气为47.5MJ/kg)。2、燃烧性质方面:氢更容易点燃且其火焰速率要远快于天然气。3、安全性方面:虽然氢在PE管道和铁制管道中的扩散系数远高于天然气5倍左右(表1,2),容易造成泄露,但是其在空气中的扩散系数也远大于天然气,这样便不易造成扩散后的聚集,从而降低了危险性。

表1. 天然气与氢基本参数对比(标准大气压下)

表2. 氢在塑料管的氢和甲烷的渗透系数(单位10-3×ft3-mil/ft/day/psig)

资料来源:NREL

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